2. Гідродинамічні аварії. Методика оцінки інженерного cтану при них і заходи захисту населення та території

Гідротехнічна споруда - об'єкт господарювання, який знаходиться поблизу водної поверхні і призначений: для використання кінетичної енергії води, що рухається, з метою перетворення її в інші види енергії; охолодження відпрацьованого пару ТЕС і АЕС; захисту прибережної території від води; забору води для зрошення і водозабезпечення; осушення; рибозахисту; регулювання рівнів води; забезпечення діяльності річкових і морських портів, суднобудівельних і суд­норемонтних підприємств, судноплавства; підводного видобування, зберігання і транспортування, корисних копалин (нафти та газу).

До основних гідротехнічних споруд відносяться: греблі, водозабірні і водо­скидні споруди (шлюзи), загати, дамби.

Гребля - гідротехнічна споруда або природні утворення, які обмежують стік води, створюють водосховища і різницю рівнів води уздовж русла річки.

Гідродинамічні аварії – це події, пов’язані з виходом із ладу (руйнуванням) гідротехнічного спорудження або його частини, та некерованим переміщенням великих мас води, що спричиняють руйнування та затоплення значних територій.

Гідродинамічно небезпечний об'єкт – штучна споруда або природні утворення, які створюють різницю рівнів води до і після нього.

Чинниками гідродинамічної небезпеки (порушення стану гідротехнічних споруд) можуть бути як техногенні (наприклад, руйнування дамб через зменшення їх міцності), так і гідрометеорологічні фактори (сильні зливи, паводки). Руйнування (прорив) гідротехнічної споруди виникає внаслідок дії сил природи (землетрус, буревій, розмив дамби, греблі) або діяльності людини, а також через конструктивні дефекти або помилки проектування. Основним чинником гідродинамічної небезпеки останніх років залишається стан гідротехнічних споруд - гребель, дамб, шлюзів, тобто інженерних споруд, за допомогою яких створені та утримуються певні об'єми води.

Основним наслідком прориву греблі при гідродинамічних аваріях є катастрофічне затоплення місцевості.

Катастрофічне затоплення характеризується:

– максимально можливими висотою та швидкістю хвилі прориву;

• розрахунковим часом приходу гребеня і фронту хвилі прориву у відповідний створ;

• кордонами зони можливого затоплення;

– максимальною глибиною затоплення конкретної ділянки місцевості;

– тривалістю затоплення території.

Катастрофічне затоплення поширюється зі швидкістю хвилі прориву від 3.0 до 25 км/год та призводить до затоплення великих територій шаром води від 0.5 до 10 м і більше. Утворюються зони затоплення.

Зоною можливого затоплення при руйнуванні гідротехнічних споруд називається частина прилеглої до річки (озера, водоймища) місцевості, затоплена водою.

Зона катастрофічного затоплення – частина зони можливого затоплення, у межах якої поширюється хвиля прориву, яка викликає масові втрати людей, руйнування будинків і споруд, знищення матеріальних цінностей.

Час, протягом якого затоплені території можуть знаходитися під водою, коливається від 4 годин до декількох діб. Параметри зони затоплення залежать від розмірів водоймища, напору води й інших характеристик гідровузла, а також від гідрологічних і топографічних особливостей місцевості.

Зони можливих, у тому числі катастрофічних, затоплень і характеристики хвилі прориву відображаються на картах і в спеціальних атласах, які складаються заздалегідь на стадії проектування гідротехнічного об'єкта.

2.1. Основні чинники гідродинамічної небезпеки в Україні

В Україні налічується 63119 річок, у тому числі великих (площа водозабору понад 50 тис. км²) - 9; середніх (від 2 до 50 тис. км²) - 81 і малих (менше, як 2 тис. км²) - 63029. Загальна довжина річок становить 206,4 тис. км, 90% припадає на малі річки.

Усунення територіальної і часової нерівномірності розподілу стоку водозабезпечення на території України здійснюється за допомогою 1160 водосховищ (загальним об'ємом майже 55 км³), понад 28 тис. ставків, 7 великих каналів (загальною довжиною 1021 км та пропускною здатністю 1000 м³/с), 10 великих водоводів, якими вода подається у маловодні райони.

Найбільшу потенційну гідродинамічну небезпеку для населення і навколишнього середовища може становити каскад Дніпровських водосховищ (Київське, Канівське, Кременчуцьке, Дніпродзержинське, Дніпровське, Каховське водосховища), параметри якого подані у табл. 5, Дністровський та Південно-Бузький каскади гідроспоруд, а також хвостосховища та шламонакопичувачі великих підприємств.

Таблиця 5

Параметри водосховищ Дніпровського каскаду ГЕС

і зон можливого катастрофічного затоплення

№ пп	Найменування параметрів водосховищ, гребель і зон можливого затоплення	Київ-ська ГЕС	Канів-ська ГЕС	Кремен-чуцька ГЕС	Дніпро-дзержи-нська ГЕС	Дніп-ровсь-ка ГЕС	Кахов-ська ГЕС
А. Греблі і водосховища
1.	Відстань між осями гребель, км	-	123	149	114	129	230
2.	Об’єм водосховища, км3	3,7	2,6	13,9	2,4	3,3	18,2
3.	Площа дзеркала, км2	922	675	2250	567	410	2150
4.	Довжина водосховища, км	110		148	140	137	240
5.	Глибина максимальна, м	14,5	21,0	20,0	16,0	53,0	22,0
6.	Протяжність гребель, км	40,9		10,7	8,1		3,2
7.	Ширина гребня греблі, м	21		95	26		74
Б. Зони затоплення
8.	Площа затоплення, км2	150,0	335,0	2250,0	840,0	342,0	640,0
9.	Можливе затоплення населених пунктів, од	57	48	192	48	45	86
10.	Чисельність населення, яке мешкає у зоні затоплення, тис.чол.	590,8	73,0	540,0	363,0	195,0	101,0

Будівництво малих ГЕС в Україні, в основному, здійснювалося наприкінці 40-х, а також у 50-х роках. По завершенні цього періоду кількість ГЕС сягала близько 900 одиниць. Проте поступово більшість малих ГЕС припинила свою роботу. Нині загальна кількість працюючих ГЕС в Україні становить близько 50 одиниць.

У комплексі водозахисних споруд країни налічується 3,5 тис. км дамб, 1,2 тис. км берегоукріплення, понад 600 насосних та компресорних станцій для перекачування надлишків води. Через певний брак коштів на їх експлуатацію та ремонт вони нерідко втрачають надійність, що посилює загрозу виникнення надзвичайних ситуацій.

Виникнення катастрофічних затоплень на території країни можливо в результаті руйнування гребель, дамб, водопропускних споруд на 12 гідровузлах та 16 водосховищах річок Дніпро, Дністер, Південний Буг, Сіверський Донець. Їх загальна площа може досягнути 8294 км², до якої потрапляють 536 населених пунктів та 470 промислових об'єктів різноманітного призначення. В Україні побудовано близько 1 тис. водосховищ об'ємом більше 1 млн. м³ і площею водного дзеркала біля 1 млн. га та 24 тис. ставків. Більшість гребель земляні (з місцевих матеріалів або намивні). Характерним для катастрофічного затоплення при руйнуванні гідроспоруд є значна швидкість розповсюдження (3-25 км/год.), висота (10-20 м) та ударна сила (5-10 т/м²) хвилі прориву, а також швидкість затоплення всієї території. Катастрофічне затоплення місцевості може виникнути внаслідок руйнування значних гідротехнічних споруд. Наприклад, у разі руйнування гребель на всіх гідроспорудах Дніпровського каскаду територія катастрофічного затоплення складає біля 700 тис. га з населенням майже 1,5 млн. осіб. Може бути виведено з ладу 270 промислових підприємств, 14 електростанцій, 2000 км ліній електропередач, численні мережі та споруди газового та водного постачання багатьох міст.

2.2. Прогнозування параметрів прориву греблі гідротехнічних споруд

Прогнозування часу прориву природних гідротехнічних споруд базується на прогнозі підйому рівнів води до 80-85% висоти перемички водосховища з урахуванням прогнозу найближчої метеостанції.

З метою завчасного планування проведення рятувальних та інших невідкладних робіт в зонах катастрофічного затоплення внаслідок можливого прориву гребель (штучних і природних) виконується завчасне прогнозування можливих хвиль прориву та розмірів катастрофічного затоплення.

Вихідними даними для проведення необхідних розрахунків є:

- відстань створу, який розглядається, від греблі (L, км);

- приведений розмір прориву (В = 1; 0,5; 0,25);

- схил водної поверхні (і);

- висота ділянки (h_м, м);

- максимальна висота затоплення ділянки місцевості по створу (h_з, м);

- висота прямокутника, еквівалентного по площі змоченому периметру в створі при максимальній глибині затоплення (h_ср, м);

- висота греблі (Н, м).

Розрахунки максимальної висоти хвилі прориву, макси­мальної швидкості потоку, середньої швидкості потоку води в точці створу та тривалості затоплення території здійснюється за допомогою формул і таблиць.

В результаті розрахунку повинні визначатися: максимальна висота хвилі прориву (h); максимальна швидкість потоку (V); середня швидкість потоку води у створі, який розглядається (V_ср); тривалість затоплення території (t); час приходу гребеня хвилі прориву (t_гр); час приходу фронту хвилі прориву (t_фр).

Послідовність розрахунку:

1. Визначення висоти і швидкості хвилі прориву:

, м , м/с (4)

де: А₁, B₁, A₂, B₂ - коефіцієнти апроксимації, які залежать від висоти греблі (Н) - гідравлічною схилу водної поверхні (i) і розмірів очікуваного прориву (В) - значення коефіцієнтів наведені у табл. 6.

Таблиця 6

Коефіцієнти апроксимації

В	Н, м	Значення коефіцієнтів при схилах
		i = 1·10 -4					i = 5·10 -4						i = 1·10 -3
		А1	В1	А2	В2	А1		В1	А2	В2		А1		В1	А2	В2
1	20	100	90	9	7	70		50	13		10	40		18	16	21
	40	280	150	20	9	180		76	34		12	110		30	32	24
	80	720	286	39	12	480		140	52		16	300		60	62	29
	150	1880	500	79	15	1240		234	100		21	780		106	116	34
	250	4000	830	144	19	2600		370	174		25	1680		168	208	40
0,5	20	138	204	11	11	92		104	13		23	56		51	18	38
	40	340	332	19	14	224		167	23		25	124		89	32	44
	80	844	588	34	17	544		293	43		31	320		166	61	52
	150	2140	1036	62	23	1280		514	79		38	940		299	113	62
	250	4520	1976	100	28	2600		830	130		46	180		490	187	79
0,25	20	140	192	8	21	60		100	11		33	40		38	15	43
	40	220	388	13	21	192		176	21		36	108		74	30	50
	80	280	780	23	21	560		320	41		41	316		146	61	65
	150	2420	1456	41	20	1393		572	77		51	840		172	114	89
	250	4740	2420	67	16	2800		932	126		62	1688		452	191	116

2. Визначення середньої швидкості потоку води:

V_ср= , м/с (5)

де: n_э – еквівалентний коефіцієнт шорсткості по створу

n_э= , м/с (6)

3. Визначення часу затоплення території:

t_зат = β (t_гр - t_ф) (1 - h_м / h), (7)

де: h_m — висота ділянки місцевості від рівня моря у річці в межень, м;

β — коефіцієнт, який залежить від висоти греблі, гідравлічного схилу і інших параметрів. Значення коефіцієнта W визначається за допомогою табл. 7.

Таблиця 7

Значення коефіцієнта β

і · L : H	Висота греблі в долях від середньої глибини ріки в нижньому б'єфі (hо)
	Н = 10 ho	Н = 20 ho
0,05	15,5	18,0
0,1	14,0	16,0
0,2	12,5	14,0
0,4	11,0	12,0
0,8	9,5	10,8
1,6	8,3	9,9
3,0	7,9	9,6
5,0	7,6	9,3

Величини t_гр і t_фр визначаються за допомогою табл. 8.

Таблиця 8

Час приходу гребеня (t_гр) і фронту (t_фр) хвилі прориву

до створу, який розглядається

L¸ км	Н= 20 м					Н = 40 м					Н = 80 м
	i=1·10 -4		i=1·10 -3		i=1·10 -4			i=1·10 -3		i=1·10 -4			i=1·10 -3
	tгр	tфр	tгр	tфр	tгр		tфр	tгр	tфр	tгр		tфр	tгр		tфр
5	0,2	1,8	0,2	1,2	0,1		2	0,1	1,2	0,1		1,1		0,1	0,1
10	0,6	4	0,6	2,4	0,3		3	0,3	2	0,2		1,7		0,1	0,4
20	1,6	7	2	5	1		6	1	4	0,5		3		0,4	1
40	5,0	14	4	10	3		10	2	7	1,2		5		1	2
80	13	30	11	21	8		21	6	14	3		9		3	4
150	33	62	27	43	18		40	15	23	7		17		6	9

Очікувані параметри, які характеризують зону затоплення, залежать не тільки від розмірів водосховища, величини напору та інших характеристик гідровузла, але, більшою мірою, визначаються геодезичними і топографічними особливостями території.

Критичні параметри руйнування деяких об'єктів хвилею прориву (водяним потоком) подані в табл. 9.

Для оцінки можливих наслідків прориву гребель можливо скористатися атласами, які розроблені проектними інститутами відповідних відомств (Міненерго і Мінводгоспу), що мають необхідні розрахунки та схеми можливого катастро­фічного затоплення з урахуванням технічних характеристик гідровузлів і топографічних особливостей території.

Таблиця 9

Критичні параметри руйнування деяких об'єктів хвилею прориву (водяним потоком)

№ пп.	Найменування об'єктів	Сильні руйнування			Середні руйнування				Слабкі руйнування
		Гли-бина пото-ку, м	Швид-кість потоку, м/сек	Питоме наванта- ження, тс/ м2	Гли-бина пото-ку, м	Швид-кість потоку, м/сек	Питоме наванта- ження, тс/ м2	Гли-бина пото-ку, м		Швид-кість потоку, м/сек	Питоме наванта-ження, тс/ м2
1	Стіни на залізо-бетонних і ме-талевих палях	6,0	5,0	7,5	3,0	3,0	1,35	1,0		2,0	0,2
2	Стіни на дерев'я них палях	4,0	5,0	5,0	2,0	3,0	0,9	1,0		1,0	0,05
3	Стіни, моли, водоломи із масивної кладки	7,0	5,0	8,75	4,0	3,0	1,8	2,0		2,9	0,4
4	Кранове облад-нання портів	6-10	4 -9	4,8-4,5	6,0	2-3	1,2-2,7	2,0		1,5-2	0,2-0,4
5	Дерев'яні 1-2по-верхові будинки	3,5	2,0	0,7	2,5	1,5	0,28	1,0		1,0	0,05
6	Цегляні малопо-верхові будинки	4,0	2,5	1,25	3,0	2,0	0,6	2,0		1,0	0,1
7	Промислові бу-динки з легким метал.каркасом	5,0	2,5	1,56	3,5	2,0	0,7	2,0		1,5	0,2
8	Промислові бу-дови з важким металевим або з/б каркасом	7,5	4,0	6,0	6,0	3,0	2,7	3,0		1-5	0,34
9	Залізничні колії	2,0	2,0	0,4	1,0	1,0	0,05	0,5		0,5	0,06
10	Шосейні дороги з твердим покриттям	4,0	3,0	1,8	2,0	1,5	0,22	1,0		1,0	0,05
11	Залізничні мости (бетонні)	2,0	3,0	0,9	1,0	2,0	0-2	-		-	-
12	Металеві мости з прогоном 30-100 м	2,0	3,0	0,9	1,0	2,0	0,2	-		-	-
13	Залізничний рухомий склад	3,5	3,0	1,6	3,0	1,5	0,34	1,5		1,0	0,12

Примітки: 1. За критичні параметри хвилі прориву, при яких наступає загибель, або тяжке поранення людей, приймається h >1,5 м і V>2,5 м/сек.

2. Швидкість хвилі прориву коливається від 3 до 25 км/год, а іноді і більше.

Приклад.

У результаті весняного водопілля відбувся підйом рівня води в річці, через яку прокладений металевий міст. Біля річки розташоване селище. Недалеко від нього є водосховище з греблею. Після переповнення водосховища і прориву греблі через проран в ній з приведеним розміром прориву – В=0,5 почалося різке збільшення рівня води в річці і гідропотік води спрямувався до селища. Відомі висота рівня води у верхньому б'єфі греблі Н₀ = 80 м, віддалення створу об'єкта від греблі L = 5 км, гідравлічний схил водяної поверхні річки i = 1 • 10^-3, а також висота розташування об'єкта h_м = 2 м, максимальна висота затоплення ділянки місцевості (селища) по створу об'єкта h_зат = 8 м і висота прямокутника, еквівалентного за площею змоченому периметру в створі об'єкта, h_ср = ​​5 м. Об'єкт економіки: будівлі - каркасні панельні, склади - цегляні; обладнання - підземні кабелі електромережі. У селищі 57 одноповерхових цегляних будинків, їх підвали – кам'яні. До кожного будинку підведені труби газопостачання. У селищі проходить дорога з асфальтобетонним покриттям. Визначити параметри хвилі прориву - висоту, швидкість і ступінь можливих руйнувань на об'єкті і в селищі.

Розв'язок:

1. Висота хвилі прориву:

З табл.6 для В=0,5, Н₀ = 80 м, i = 1· 10^-3, знаходимо А₁=320, В₁=166. Тоді

 

= = 4,45 (м).

2. Швидкість хвилі прориву:

.

З табл.6 для В=0,5, Н₀ = 80 м, i = 1 · 10^-3 знаходимо А₂=61, В₂=52. Тоді

= = 0,858 (м/с).

3. Час приходу гребеня (t_гр) і фронту (t_фр) хвилі прориву визначаємо за табл. 8 при Н₀ = 80 м, L = 5 км, i = 1 · 10^-3 , тоді:

t_гр = 0,2 год = 12 хв та t_фр = 0,1 год = 6 хв.

4. Час (тривалість) затоплення території об'єкту:

t_зат = β(t_гр - t_фр)(1-h_м / h).

Коефіцієнт β знаходимо за табл. 7 при Н₀/h₀ = 80/8 = 10, тобто при H₀=10h₀ і відношені iL/H₀ = 10^-3 ·5000/80 = 0,0625. Отже, при iL/H₀ = 0,0625 и H₀ =10h₀ за табл.7 коефіцієнт β знаходимо методом інтерполяції:

β = 14 + (15,5-14)(0,0625 – 0,05) / (0,1-0,05) = 14 + 1,5 · 0,0125/0,05 = 14,375.

Тоді t_зат = 14,375 · (0,2 – 0,1)(1-2 / 4,45) = 0,79 (год) = 47,4 (хв).

5. Можливі руйнування хвилі прориву знаходять за табл. 9 при h = 4,45 м і V = 0,858 м/с = 0,9 м/с.

а) На об'єкті: будівлі отримають слабкі руйнування, а склади – сильні руйнування.

б) В селищі будинки, міст, дорога – отримають сильні руйнування.

2.3. Заходи щодо зменшення наслідків аварій на гідродинамічно- небезпечних об’єктах

Греблі, як природні так і штучні, повинні знаходитися під пильним спостереженням спеціалістів-гідротехніків з експлуатаційного персоналу, представників науково-дослідних та інших спеціалізованих організацій. У разі небезпеки прориву штучної греблі, необхідно вжити наступних заходів щодо недопущення події. Наприклад: регулюванням стоку води, форсованим спрацювання водосховища, транзитним пропуском води. Якщо існує небезпека прориву греблі природного водосховища, то необхідно вжити заходів щодо укріплення стіни греблі, або викликати прорив у менш небезпечному напрямку.

Для запобігання можливих раптових проривів на греблях водосховищ завчасно виконуються наступні заходи:

а) адміністративні:

– обмеження будівництва житлових будинків і об'єктів господарювання у місцях, які підпадають під дію можливої хвилі прориву затоплення;

– евакуація населення із зон, де час приходу хвилі прориву після руйнування греблі, складає менше чотирьох годин – терміново, а з решти території – при виникненні загрози затоплення;

б) інженерно-технічні:

– обвалування (будівництво дамб);

– створення надійних дренажних систем;

– берегоукріплюючі роботи щодо запобігання зсувам, обвалам тощо;

– улаштування гідроізоляції та спеціальних кріплень на будинках і спорудах;

– насадження низькостовбурних лісів із вільхи, верби, осики і берези, що збільшує шорсткість поверхні і сприяє зменшенню швидкості хвилі прориву.

Населення повинно бути ознайомлено із системою попередження про небезпеку. З метою забезпечення життя і здоров'я громадян, зменшення матеріальних втрат та недопущення шкоди підприємствам, установам і організаціям, матеріальним і культурним цінностям у разі загрози та виникнення надзвичайної ситуацїї проводиться оповіщення та інформування населення.

Рекомендації щодо дій населення в умовах загрози руйнування греблі водосховищ:

• Оповіщуються усі населені пункти, які підпадають у зону можливого катастрофічного затоплення.

• Завчасно повинні бути сплановані можливі маршрути евакуації на підвищені ділянки місцевості. Необхідно передбачити, що брати з собою при евакуації.

• Після надходження інформації про небезпеку руйнування греблі водосховища, необхідно терміново евакуюватися на підвищену ділянку і знаходитися там до того часу, поки не зійде вода, або не буде передана офіційна інформація, що небезпека минула.

Після спаду води необхідно дотримуватися ряду правил:

• остерігатися обірваних проводів, проводів, які провисли, повідомляти про наявність таких пошкоджень, а також про руйнування каналізації і водопровідних мереж у відповідні комунальні служби;

• не можна вживати в їжу продукти, які знаходилися в контакті з водяними потоками.

• Питну воду перед вживанням необхідно перевірити на придатність. Колодязі з питною водою повинні бути осушені і вичищені.

• Усі будинки повинні бути оглянуті, складені акти огляду щодо придатності для проживання, а також для проведення аварійно-відновних робіт.

• При входженні в будинок, не слід користуватися відкритим вогнем оскільки у приміщенні може бути присутній газ, або вибухонебезпечна речовина.

• Не використовувати джерела енергоспоживання поки не будуть перевірені джерела енергозабезпечення.

• Необхідно відкрити всі двері і вікна для просушки будинків, прибрати вологе сміття, дати можливість підлогам і стінам висохнути.